Arquitetura de uma rede de interconexão com memória compartilhada baseada na topologia crossbar

Multi-Processor System-on-Chip (MPSoC) possui vários processadores, em um único chip. Várias aplicações podem ser executadas de maneira paralela ou uma aplicação paralelizável pode ser particionada e alocada em cada processador, a fim de acelerar a sua execução. Um problema em MPSoCs é a comunicação entre os processadores, necessária para a execução destas aplicações. Neste trabalho, propomos uma arquitetura de rede de interconexão baseada na topologia crossbar, com memória compartilhada. Esta arquitetura é parametrizável, possuindo N processadores e N módulos de memórias. A troca de informação entre os processadores é feita via memória compartilhada. Neste tipo de implementação cada processador executa a sua aplicação em seu próprio módulo de memória. Através da rede, todos os processadores têm completo acesso a seus módulos de memória simultaneamente, permitindo que cada aplicação seja executada concorrentemente. Além disso, um processador pode acessar outros módulos de memória, sempre que necessite obter dados gerados por outro processador. A arquitetura proposta é modelada em VHDL e seu desempenho é analisado através da execução paralela de uma aplicação, em comparação à sua respectiva execução sequencial. A aplicação escolhida consiste na otimização de funções objetivo através do método de Otimização por Enxame de Partículas (Particle Swarm Optimization - PSO). Neste método, um enxame de partículas é distribuído igualmente entre os processadores da rede e, ao final de cada interação, um processador acessa o módulo de memória de outro processador, a fim de obter a melhor posição encontrada pelo enxame alocado neste. A comunicação entre processadores é baseada em três estratégias: anel, vizinhança e broadcast. Essa aplicação foi escolhida por ser computacionalmente intensiva e, dessa forma, uma forte candidata a paralelização.

Otimização por enxame de partículas em arquiteturas paralelas de alto desempenho.

A Otimização por Enxame de Partículas (PSO, Particle Swarm Optimization) é uma técnica de otimização que vem sendo utilizada na solução de diversos problemas, em diferentes áreas do conhecimento. Porém, a maioria das implementações é realizada de modo sequencial. O processo de otimização necessita de um grande número de avaliações da função objetivo, principalmente em problemas complexos que envolvam uma grande quantidade de partículas e dimensões. Consequentemente, o algoritmo pode se tornar ineficiente em termos do desempenho obtido, tempo de resposta e até na qualidade do resultado esperado. Para superar tais dificuldades, pode-se utilizar a computação de alto desempenho e paralelizar o algoritmo, de acordo com as características da arquitetura, visando o aumento de desempenho, a minimização do tempo de resposta e melhoria da qualidade do resultado final. Nesta dissertação, o algoritmo PSO é paralelizado utilizando três estratégias que abordarão diferentes granularidades do problema, assim como dividir o trabalho de otimização entre vários subenxames cooperativos. Um dos algoritmos paralelos desenvolvidos, chamado PPSO, é implementado diretamente em hardware, utilizando uma FPGA. Todas as estratégias propostas, PPSO (Parallel PSO), PDPSO (Parallel Dimension PSO) e CPPSO (Cooperative Parallel PSO), são implementadas visando às arquiteturas paralelas baseadas em multiprocessadores, multicomputadores e GPU. Os diferentes testes realizados mostram que, nos problemas com um maior número de partículas e dimensões e utilizando uma estratégia com granularidade mais fina (PDPSO e CPPSO), a GPU obteve os melhores resultados. Enquanto, utilizando uma estratégia com uma granularidade mais grossa (PPSO), a implementação em multicomputador obteve os melhores resultados.

Implementação de algoritmos genéticos paralelos em uma arquitetura MPSoC.

Essa dissertação apresenta a implementação de um algoritmo genético paralelo utilizando o modelo de granularidade grossa, também conhecido como modelo das ilhas, para sistemas embutidos multiprocessados. Os sistemas embutidos multiprocessados estão tornando-se cada vez mais complexos, pressionados pela demanda por maior poder computacional requerido pelas aplicações, principalmente de multimídia, Internet e comunicações sem fio, que são executadas nesses sistemas. Algumas das referidas aplicações estão começando a utilizar algoritmos genéticos, que podem ser beneficiados pelas vantagens proporcionadas pelo processamento paralelo disponível em sistemas embutidos multiprocessados. No algoritmo genético paralelo do modelo das ilhas, cada processador do sistema embutido é responsável pela evolução de uma população de forma independente dos demais. A fim de acelerar o processo evolutivo, o operador de migração é executado em intervalos definidos para realizar a migração dos melhores indivíduos entre as ilhas. Diferentes topologias lógicas, tais como anel, vizinhança e broadcast, são analisadas na fase de migração de indivíduos. Resultados experimentais são gerados para a otimização de três funções encontradas na literatura.

Localização de faltas de curta duração em redes de distribuição.

O objetivo deste trabalho é contribuir com o desenvolvimento de uma técnica baseada em sistemas inteligentes que possibilite a localização exata ou aproximada do ponto de origem de uma Variação de Tensão de Curta Duração (VTCD) (gerada por uma falta) em um sistema de distribuição de energia elétrica. Este trabalho utiliza um Phase-Locked Loop (PLL) com o intuito de detectar as faltas. Uma vez que a falta é detectada, os sinais de tensão obtidos durante a falta são decompostos em componentes simétricas instantâneas por meio do método proposto. Em seguida, as energias das componentes simétricas são calculadas e utilizadas para estimar a localização da falta. Nesta pesquisa, são avaliadas duas estruturas baseadas em Redes Neurais Artificiais (RNAs). A primeira é projetada para classificar a localização da falta em um dos pontos possíveis e a segunda é projetada para estimar a distância da falta ao alimentador. A técnica aqui proposta aplica-se a alimentadores trifásicos com cargas equilibradas. No desenvolvimento da mesma, considera-se que há disponibilidade de medições de tensões no nó inicial do alimentador e também em pontos esparsos ao longo da rede de distribuição. O banco de dados empregado foi obtido através de simulações de um modelo de alimentador radial usando o programa PSCAD/EMTDC. Testes de sensibilidade empregando validação-cruzada são realizados em ambas as arquiteturas de redes neurais com o intuito de verificar a confiabilidade dos resultados obtidos. Adicionalmente foram realizados testes com faltas não inicialmente contidas no banco de dados a fim de se verificar a capacidade de generalização das redes. Os desempenhos de ambas as arquiteturas de redes neurais foram satisfatórios e demonstram a viabilidade das técnicas propostas para realizar a localização de faltas em redes de distribuição.

Avaliação de desempenho de plataformas de virtualização de redes.

O objetivo desta dissertação é avaliar o desempenho de ambientes virtuais de roteamento construídos sobre máquinas x86 e dispositivos de rede existentes na Internet atual. Entre as plataformas de virtualização mais utilizadas, deseja-se identificar quem melhor atende aos requisitos de um ambiente virtual de roteamento para permitir a programação do núcleo de redes de produção. As plataformas de virtualização Xen e KVM foram instaladas em servidores x86 modernos de grande capacidade, e comparadas quanto a eficiência, flexibilidade e capacidade de isolamento entre as redes, que são os requisitos para o bom desempenho de uma rede virtual. Os resultados obtidos nos testes mostram que, apesar de ser uma plataforma de virtualização completa, o KVM possui desempenho melhor que o do Xen no encaminhamento e roteamento de pacotes, quando o VIRTIO é utilizado. Além disso, apenas o Xen apresentou problemas de isolamento entre redes virtuais. Também avaliamos o efeito da arquitetura NUMA, muito comum em servidores x86 modernos, sobre o desempenho das VMs quando muita memória e núcleos de processamento são alocados nelas. A análise dos resultados mostra que o desempenho das operações de Entrada e Saída (E/S) de rede pode ser comprometido, caso as quantidades de memória e CPU virtuais alocadas para a VM não respeitem o tamanho dos nós NUMA existentes no hardware. Por último, estudamos o OpenFlow. Ele permite que redes sejam segmentadas em roteadores, comutadores e em máquinas x86 para que ambientes virtuais de roteamento com lógicas de encaminhamento diferentes possam ser criados. Verificamos que ao ser instalado com o Xen e com o KVM, ele possibilita a migração de redes virtuais entre diferentes nós físicos, sem que ocorram interrupções nos fluxos de dados, além de permitir que o desempenho do encaminhamento de pacotes nas redes virtuais criadas seja aumentado. Assim, foi possível programar o núcleo da rede para implementar alternativas ao protocolo IP.

Implementação de Visualização de Dados Tridimensionais de Malhas Irregulares no Processador Cell Broadband Engine.

A renderização de volume direta tornou-se uma técnica popular para visualização volumétrica de dados extraídos de fontes como simulações científicas, funções analíticas, scanners médicos, entre outras. Algoritmos de renderização de volume, como o raycasting, produzem imagens de alta qualidade. O seu uso, contudo, é limitado devido à alta demanda de processamento computacional e o alto uso de memória. Nesse trabalho, propomos uma nova implementação do algoritmo de raycasting que aproveita a arquitetura altamente paralela do processador Cell Broadband Engine, com seus 9 núcleos heterogêneos, que permitem renderização eficiente em malhas irregulares de dados. O poder computacional do processador Cell BE demanda um modelo de programação diferente. Aplicações precisam ser reescritas para explorar o potencial completo do processador Cell, que requer o uso de multithreading e código vetorizado. Em nossa abordagem, enfrentamos esse problema distribuindo a computação de cada raio incidente nas faces visíveis do volume entre os núcleos do processador, e vetorizando as operações da integral de iluminação em cada um. Os resultados experimentais mostram que podemos obter bons speedups reduzindo o tempo total de renderização de forma significativa.

Precondicionadores baseados na aproximação da inversa.

Neste trabalho de dissertação apresentaremos uma classe de precondicionadores baseados na aproximação esparsa da inversa da matriz de coecientes, para a resolução de sistemas lineares esparsos de grandes portes através de métodos iterativos, mais especificamente métodos de Krylov. Para que um método de Krylov seja eficiente é extremamente necessário o uso de precondicionadores. No contexto atual, onde computadores de arquitetura híbrida são cada vez mais comuns temos uma demanda cada vez maior por precondicionadores paralelizáveis. Os métodos de inversa aproximada que serão descritos possuem aplicação paralela, pois so dependem de uma operação de produto matriz-vetor, que é altamente paralelizável. Além disso, alguns dos métodos também podem ser construídos em paralelo. A ideia principal é apresentar uma alternativa aos tradicionais precondicionadores que utilizam aproximações dos fatores LU, que apesar de robustos são de difícil paralelização.

Exploiting variable-width features in large vocabulary speech recognition

The use of variable-width features (prosodics, broad structural information etc.) in large vocabulary speech recognition systems is discussed. Although the value of this sort of information has been recognized in the past, previous approaches have not been widely used in speech systems because either they have not been robust enough for realistic, large vocabulary tasks or they have been limited to certain recognizer architectures. A framework for the use of variable-width features is presented which employs the N-Best algorithm with the features being applied in a post-processing phase. The framework is flexible and widely applicable, giving greater scope for exploitation of the features than previous approaches. Large vocabulary speech recognition experiments using TIMIT show that the application of variable-width features has potential benefits.

Multi-objective design and optimisation of bypass outlet-guide vanes

This paper describes the development of an automated design optimization system that makes use of a high fidelity Reynolds-Averaged CFD analysis procedure to minimize the fan forcing and fan BOGV (bypass outlet guide vane) losses simultaneously taking into the account the down-stream pylon and RDF (radial drive fairing) distortions. The design space consists of the OGV's stagger angle, trailing-edge recambering, axial and circumferential positions leading to a variable pitch optimum design. An advanced optimization system called SOFT (Smart Optimisation for Turbomachinery) was used to integrate a number of pre-processor, simulation and in-house grid generation codes and postprocessor programs. A number of multi-objective, multi-point optimiztion were carried out by SOFT on a cluster of workstations and are reported herein.

A closely integrated digital image capture device for embedded applications

A modular image capture system with close integration to CCD cameras has been developed. The aim is to produce a system capable of integrating CCD sensor, image capture and image processing into a single compact unit. This close integration provides a direct mapping between CCD pixels and digital image pixels. The system has been interfaced to a digital signal processor board for the development and control of image processing tasks. These have included characterization and enhancement of noisy images from an intensified camera and measurement to subpixel resolutions. A highly compact form of the image capture system is in an advanced stage of development. This consists of a single FPGA device and a single VRAM providing a two chip image capturing system capable of being integrated into a CCD camera. A miniature compact PC has been developed using a novel modular interconnection technique, providing a processing unit in a three dimensional format highly suited to integration into a CCD camera unit. Work is under way to interface the compact capture system to the PC using this interconnection technique, combining CCD sensor, image capture and image processing into a single compact unit. ©2005 Copyright SPIE - The International Society for Optical Engineering.

Floating-body SOI memory: Concepts, physics and challenges

We present an overview of the single-transistor memory cells (lT-DRAMs), which are based on floating-body effects in SOI MOSFETs. The typical device architectures, principles of operation and key mechanisms for programming are described. The various approaches (Z-RAM, MSDRAM, etc) are compared in terms of performance and potential for aggressive scaling. ©The Electrochemical Society.

Towards jet flow LES of conceptual nozzles for acoustic predictions

Progress in simulating chevron nozzle jet flows using ILES/RANS-ILES approaches and using the Ffowcs Williams and Hawkings (FW-H) surface integral method to predict the radiated far field sound is presented in this paper. With the focus on the realistic chevron geometries, SMC001 and SMC006, coarse and fine meshes are generated in the range of 3∼13 million mesh cells. Throughout this work, to minimize numerical dissipation introduced by mesh quality issues, the hexahedral cell type is used. Numerical simulations are then carried out with cell-vertex and cell-centered codes. Despite the modest grids, mean velocities and turbulent statistics are found to be in reasonable accord with measurements. Also, far field sound levels predicted by the FW-H post processor are encouraging. Copyright © 2008 by the American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc.

An accelerated 3D Navier-Stokes solver for flows in turbomachines

A new three-dimensional Navier-Stokes solver for flows in turbomachines has been developed. The new solver is based on the latest version of the Denton codes, but has been implemented to run on Graphics Processing Units (GPUs) instead of the traditional Central Processing Unit (CPU). The change in processor enables an order-of-magnitude reduction in run-time due to the higher performance of the GPU. Scaling results for a 16 node GPU cluster are also presented, showing almost linear scaling for typical turbomachinery cases. For validation purposes, a test case consisting of a three-stage turbine with complete hub and casing leakage paths is described. Good agreement is obtained with previously published experimental results. The simulation runs in less than 10 minutes on a cluster with four GPUs. Copyright © 2009 by ASME.

Real-time optical OFDM transceivers for PON applications

Recent real-time optical OFDM (OOFDM) research progress is reviewed extensively in terms of adaptive transceiver design, intensity modulators, synchronisation techniques and network architectures. Results indicate that OOFDM is feasible for mass deployment in PONs. © 2011 Optical Society of America.

Hierarchical electrohydrodynamic structures for surface-enhanced Raman scattering.

Surface enhanced Raman scattering (SERS) is a well-established spectroscopic technique that requires nanoscale metal structures to achieve high signal sensitivity. While most SERS substrates are manufactured by conventional lithographic methods, the development of a cost-effective approach to create nanostructured surfaces is a much sought-after goal in the SERS community. Here, a method is established to create controlled, self-organized, hierarchical nanostructures using electrohydrodynamic (HEHD) instabilities. The created structures are readily fine-tuned, which is an important requirement for optimizing SERS to obtain the highest enhancements. HEHD pattern formation enables the fabrication of multiscale 3D structured arrays as SERS-active platforms. Importantly, each of the HEHD-patterned individual structural units yield a considerable SERS enhancement. This enables each single unit to function as an isolated sensor. Each of the formed structures can be effectively tuned and tailored to provide high SERS enhancement, while arising from different HEHD morphologies. The HEHD fabrication of sub-micrometer architectures is straightforward and robust, providing an elegant route for high-throughput biological and chemical sensing.